Особенности монтажа микросборок и ячеек свч диапазона.

Монтаж микросборок и ячеек СВЧ диапазона условно можно разделить на три типа технологических операций: монтаж земляных и подстроечных перемычек; монтаж дискретных компонентов на плату микросборок; установка микросборок на металлический поддон ячейки.

В качестве материала микрополосковых перемычек чаще всего используется золотая фольга толщиной 20 мкм или две-три золо­тые проволочные перемычки диаметром 50 мкм. Преимущественное использование золота обусловлено его пластичностью, обеспе­чивающей высокую надежность аппаратуры, особенно при воздей­ствии вибрации и термоциклов (что не обеспечивается при исполь­зовании медной фольги), высокой электропроводностью и техно­логичностью. Так, минимальное разрушающее усилие медной золо­ченой фольги толщиной 20—30 мкм составляет 0,6 Н (60 гс), золо­той— 10 Н (1000 гс). Отсутствие на нем оксидных пленок обус­ловливает надежное присоединение к золотому покрытию микрополосков как сваркой, так и пайкой.

Для присоединения золотых перемычек используется односторонняя контактная

сварка двух видов: сдвоенным электродом и трехфазным током (строенным электродом). Последний вид имеет следующие преимущества: имеется возможности регулировать скорости нагрева и охлаждения места сварки, что исключает возможность растрескивания подложки; при той же вводимой конт­ролируемой энергии, необходимой для создания надежного соеди­нения, напряжение между электродами снижается в 1,7 раза, что позволяет полностью избежать такого распространенного вида де­фекта при односторонней контактной сварке, как прожог.

Методы монтажа дискретных компонентов, прежде всего, опре­деляются их конструкцией. Наиболее распространенными являют­ся три типа конструкции. Первый тип (а) устанавли­вается пайкой или приклеиванием на плату микросборок с после­дующей пайкой или сваркой выводов с микрополосковыми СВЧ трактами. Применяемые припои и режимы, пайки при этом зави­сят от допустимых температур нагрева устанавливаемого элемен­та и условий эксплуатации. Наиболее часто применяются припои ПОС-61, ПОСК-50, ПСрЗИн, они позволяют перекрыть диапазон допустимых температур пайки от 160 до 250° С.

Второй тип (б) конструкции навесных элементов (в корпусе типа «Элионика») устанавливается пайкой на корпус в отверстие платы или между двумя платами, а выводы распаиваются на лу­женые контактные площадки или, когда требуется уменьшить ин­дуктивность выводов, последние укорачивают до допускаемых на элемент размеров, и соединение производит сваркой (или пайкой) перемычек между выводом элемента и микрополоском СВЧ платы. Такие элементы позволяют вводить механизированные захваты и устройства для их переноса и совмещения.

Наиболее легко поддается автоматизации монтаж навесных элементов третьего типа конструкции (в). Монтаж ведется по принципу перевернутого кристалла с нижним нагревом, однако при монтаже элементов на поликоровые подложки толщиной 1 мм не достаточно только локального нижнего нагрева, и сверху подается тепловой импульс.

Помимо навесных элементов СВЧ тракта в состав ГИС СВЧ в ряде случаев вводятся низкочастотные логические и силовые на­весные элементы цепей питания, управления, телеметрии, что поз­воляет уменьшить число внутриблочных соединений, а также уро­вень помех, наводимых на провода коммутации.

Необходимость соблюдения, однородности СВЧ тракта накла­дывает жесткие ограничения на взаимное расположение выходных микрополосковых микросборок, устанавливаемых на металличе­ский поддон ячеек и блоков. Последовательная стыковка с высокой точностью большого числа микросборок друг с другом и герметич­ным коаксиально-полосковыми переходами межблочной коммута­ции редко производится с помощью микроскопа. Более техноло­гичным является метод установки с использованием механических баз выполненных на конструктивном основании или в технологическом приспособлении, которое обеспечивает гарантированное совпадение стыкуемых микрополосков с расчетной точностью.

В настоящее время применяются три способа крепления микро­сборок, обеспечивающие необходимое контактирование их зазем­ляющей пластины — металлизированной обратной стороны платы — с основанием корпуса. Это приклеивание электропроводящими кле­ями, пайка и механическое крепление. Используются также смешанные варианты из трех перечисленных выше способов, в основном пайка на основании ячейки с последующим механическим креплением к корпусу блока.

Известные в промышленности электропроводящие клеи, выполненные преимущественно на базе эпоксидных смол, имеют удовлетворительную проводимость, однако в процессе старения свойства ухудшаются, чему способствует наличие в объеме большого числа мелкодисперсных металлических включений (наполнителя), что приводит к неуправляемому стеклованию клеевого шва. Возмож­но их использование для крепления малогабаритных плат и в ря­де случаев коммутации выводов элементов с низкими допустимыми температурами.

Успешно применяется эластичный электропроводящий клей ЭПК-68 на основе кремнийорганического каучука с наполнением мелкодисперсным серебром. Отверждение клея при комнатной температуре происходит за 24, при температуре 70 ºС за 2 ч. Клей позволяет производить замену вышедшей из строя микросборки без температурного воздействия на остальные элементы блока. Помимо низкой температуры отверждения, что обеспечивает ремонтопригодность блока, к положительным свойствам этого способа крепления следует отнести эластичность, обеспечивающую большое допустимое число термоциклов (более 1000 при темпера­туре от —60 до +125° С). До разрушения при термоциклах не удалось довести ни один из 700 поликоровых и ситалловых образ­цов размером 48х60 мм и толщиной 0,5 и 1 мм, приклеенных на основания, выполненные на алюминиевых сплавах. Отметим также стойкость при ударах, вибрациях и других механических воз­действиях на аппаратуру. Однако сопротивление клеевого шва все же велико; между заземляющей пластиной микросборки размером 24х30 мм и металлом основания при толщине слоя клея 100 мкм оно составляет около 0,04 Ом.

В тех случаях, когда сопротивление приклейки превышает допустимое значение, используется крепление пайкой низкотемпературными припоями, обеспечивающими допустимые температуры для установленных на микросборке элементов, например припоем ПОИн52 с температурой плавления . Применяют припои с меньшей температурой плавления (ПОИнКС, ПСрЗИн). Слои припоя армируются мягкой медной сеткой, обеспечивающей гарантированную толщину слоя припоя не мене 0,2 мм, который снимает механические напряжения при пайке и термоциклировании (200 термоциклов для подложки 24х30 мм) и исключает растрескивание подложки.

Для обеспечения 500 термоциклов и более требуется гаранти­рованный слой пластичного материала не менее 0,6 мм. В этом случае используются два слоя припоя с прокладкой из титана, име­ющего промежуточное значение ТКЛР между поликором и алю­минием. При применении в качестве материала ос­нования не алюминия, а титана для обеспечения более 500 термо­циклов достаточен один слой припоя 0,2 мм. Однако ограничением применения титана является сложность его механической обработ­ки и низкая теплопроводность, которая препятствует отводу тепла от теплонапряженных узлов.

Используемая при пайке микросборок медная сетка препятству­ет выдавливанию припоя, из-под платы и служит как бы «фити­лем» для припоя за счет хорошей смачиваемости меди припоями, что позволяет при сборке блоков проводить пайку некоторых мик­росборок в перевернутом положении и даже на вертикальной плоскости. Направление проволоки в армирующей сетке должно быть параллельно сторонам платы микросборок, так как наибольшая пластичность армирования соединения достигается по диагонали ячеек сетки, а наибольшее относительное удлинение происходит по наибольшему линейному размеру платы — ее диагонали.

Наилучшим с точки зрения пластичности паяного соединения является процесс горячего скелетного лужения, используемый для соединения припоем армирующей сетки окунанием (при малой программе выпуска) или «волной» с последующим прокатыванием до размера, большего, чем два диаметра проволоки сетки, во избежание ее деформации. При этом в ячейках сетки могут образо­вываться Местные пустоты, не приводящие к ухудшению паяного соединения. При припаивании на микросборки оказы­вают давление держатели технологического приспособления, которое воспринимается не расплавленным припоем, а материалом сетки в ее узлах. Лишний (по толщине) припой ча­стично заполняет ячейки сетки. Пайку желательно проводить в ва­кууме, в противном случае при расширении имеющегося в ячей­ках воздуха может происходить вытеснение с каких-то участков расплавленного припоя и образование воздушных «карманов» с недостаточной пропайкой, что регистрируется при контроле соеди­нения рентгеновскими методами.

Для упрощения технологии с целью исключения горячего лу­жения используют гальваническое покрытие медной сетки сплавом олово - висмут с последующим прокатыванием для обеспечения плоскостности поверхностей. При этом сетка деформируется, а узлы сетки теряют подвижность. Припой, используемый в соединении, вносится в виде тонких листов с двух сторон сетки и в ряде случаев «прикатывается» к сетке. При расплавлении припоя покрытие не плавится, но частично за счет диффузии переходит в расплав, бесконтрольно изменяя его состав и физические свойства. При этом способе соединения снижается за счёт большой жёсткости сетки и изменения состава припоя. Последнее сказывается и при ремонтных операциях, когда вышедшую из строя микросборку приходиться отпаивать.

Общим основным недостатком всех методов крепления микро­сборок к основанию методом пайки является то, что при замене вышедшей из строя платы все остальные платы и элементы прихо­дится нагревать выше температуры плавления припоя дважды: при снятии поврежденной и при креплении новой, микросборки. Кроме того, как уже указывалось, именно в процессе пайки наиболее существенно влияние внутренних напряжений. Расчет упру­гого напряжения деформируемого состояния дает следующие зна­чения внутренних напряжений в пластине:

,

— коэффициент напряжений:

где и — ТКЛР подложки и поддона; Е₁ и Е₂ — соответственно мо­дули Юнга; и — коэффициенты Пуассона; h₁ и h₂ - толщи­ны подложки и поддона; h= h₁ + h₂ ; z - расстояние по оси z от ну­левой точки до рассматриваемого слоя пластины.

Сравнивая полученные данные по формуле с запасом прочности материалов, можно определить необходимые толщины металлического поддона. Так, ферритовые платы 24х30х1 мм можно устанавливать на мерное основание не менее 2,5-3 мм, а платы из алюминиевого сплава АМЦ - на основание не менее 1,5-2 мм. Для поликоровой платы размером 24х30 мм и толщине 1 мм толщина основания из сплава АМЦ требуется не менее 4—5 мм, а при толщине 0,5-3 мм. Необходимо отметить, что внутренние напряжения могут возрастать в 2-3 раза по сравнению с расчетными по формуле (см. выше), если в СВЧ плате имеются отверстия. Как мы уже указывали, для уменьшения напряжений в припаиваемых подложках необходимо применять соответствующие прокладки. Конечно, необходимо учи­тывать и релаксацию напряжений за счет ползучести паяного шва, особенно при малом прогибе пластины при изменении температуры. Наиболее простой и распространенный способ крепления мик­росборок к основанию с помощью механического прижима винтами: винты проходят через отверстия в плате микросборки и завинчиваются в резьбовые втулки, установленные в основании. Возможна двухсторонняя установка плат, однако при этом необходимо, чтобы винты, крепящие плату на одной стороне, не повреждали платы противоположной стороны. Как и в большинстве других механических способов крепления, обязательна контактная прокладка, обеспечивающая по контуру электрический контакт металлизированной экранной поверхности платы микросборки с металлом основания корпуса. Наиболее качественный и надёжный контакт обеспечивается при применении золотого по­крытия контактной прокладки экранной поверхности платы и хо­тя бы местного покрытия корпуса. При использовании в вышеперечисленных покрытиях окисля­ющегося сплава олова контактирование производится через четы­ре окисленных поверхности и не является надежным и стабильным. Недостатком указанного способа является выполнение отверстий в плате СВЧ с возможным образованием микротрещин, способствующих концентрации напряжений, и приложение к отверстию усилия винта, вызывающего эти напряжения.

Общи­ми недостатками всех способов механического кре­пления являются: возможность переме­щения ГИС СВЧ относительно корпуса блока при вибрациях и ударах в направлениях, параллельных плоскости микросборок, причем перемещения эти незначительны, однако достаточны для обрыва перемычек; при использовании сплава олова для покры­тия корпуса контактной прокладки и нижней экранной стороны микросборки в цепь соединения металлизации стыкующихся подложек последовательно включается восемь окисных пленок сплава олова, требующего дополнительного лакокрасочного покрытия для защиты от коррозии.

Для устранения этих недостатков вводится дополнительное кре­пление микросборок от продольных перемещений, не препятству­ющее перемещениям платы микросборки относительно основания при изменениях температуры в крайних пределах, а также покрытие перечисленных поверхностей золотом. Стоимость такого покрытия составляет порядка 0,03% от стоимости СВЧ блока средней функциональной сложности при значительном увеличении надежности СВЧ тракта блока.

Практическое занятие

МНОГОУРОВНЕВАЯ КОММУТАЦИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭВС

Целью практического занятия является изучение современных технологических методов создания многоуровневой коммутации и конструкторско-технологических особенностей реализации многослойных коммутационных плат, а также приобретение навыков выбора оптимальных технологических приемов для изготовления многослойных коммутационных плат заданной конструкции.

Продолжительность занятия – 4часа, по 2 часа на каждое из занятий:

1. Изучение структур многоуровневых коммутационных плат.

2. Изучение технологических процессов изготовления МКП.